Альтернативная энергетика
Энергия морских течений. Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).
Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км2. Энергию Р, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в ваттах).
где m – масса воды (кг), p – плотность воды (кг/м3), А – сечение (м), V – скорость (м/с). Подставив цифры, получим
Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1 000 МВт. Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10 % энергии течения.
В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.
Один из проектов использования морских волн основан на принцип! колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.
Энергия волн. Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.
В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т. п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую.
В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.
Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.
Установки с пневматическим преобразователем. В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.
Волновая энергетическая установка «Каимей 11» («Морской свет») – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. Она использует волнение высотой до 6-10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м, высотой в носовой части 7 м, в кормовой – 2,3 м, водоизмещением 500 т установлены 22-е воздушные камеры, открытые снизу; каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установка 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978-1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.
Норвежская промышленная волновая станция. В 1985 г. в Норвегии, в 46 км к северо-западу от города Берген, построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 м и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн кВт∙ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона.
Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар площадью 5 500 м2, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн кВт∙ч электроэнергии.
Английский «Моллюск». В Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа «моллюск», в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры, в которых находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки, и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами.
Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин, укрепленных на каркасе диаметром 60 м и высотой 7 м. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт.
Волновой плот Коккерела. Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт.
В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х г. ХХ века на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10-15 м установка развивала мощность 150 кВт.
«Утка Солтера». Проект, известный под названием «Утка Солтера», представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок («утка»), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20-30 поплавков.
В 1978 г. была испытана модель установки длиной 50 м, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составила 10 кВт.
Разработан проект более мощной установки из 20-30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт.
Подобные системы установлены у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.
Биохимическая энергия В океане существует замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В этой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых маленьких до самых больших, от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до достигающих высоты 200-300 футов (60-90 м) бурых водорослей.
Выгоды использования энергии океана В океане, который составляет 71 % поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии: энергия волн и приливов, энергия химических связей газов, питательных веществ, солей и других минералов, скрытая энергия водорода, находящегося в молекулах воды, энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; удивительная по запасам энергия, которую можно получать, используя разницу температур воды океана на поверхности и в глубине, и их можно преобразовать в стандартные виды топлива.
Низкопотенциальные источники тепла (НИТ) Насосы тепла Что такое тепловой насос? Сейчас для обогрева домов в сельской местности инженеры и ученые предлагают такие схемы. В землю закапывают трубы, и находящаяся в них жидкость, например вода или антифриз, получает ту же температуру, что и грунт. В земле на глубине метр-два всегда тепло, даже в сильные морозы там 6-8 ° С тепла, а то и больше. От теплособирающих труб тепло передается фреону во втором контуре, и он испаряется. Установленный в доме компрессор сжимает газ, тот конденсируется в жидкость, а тепло конденсации служит для обогрева помещения. Потом эта жидкость испаряется за счет подземного тепла, и цикл повторяется.
Проектирование активных систем солнечного горячего водоснабжения Общие сведения. Задание на проект содержит характеристику и количество коммунально-бытовых потребителей теплоты, тип промышленного комплекса, характеристику топлива. В задании на проект рекомендуется предусмотреть несколько разных потребителей теплоты.
Будущие источники энергии Энергия из космоса Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить солнечные энергостанции в космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.
Источник
Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.
Энергетический потенциал океанских течений
Из всех океанских источников течения характеризуются самой низкой плотностью энергии (величина эквивалентного их динамическому давлению столба жидкости равна всего 0,05 м при скорости 1 м/с и только 5 м при скорости 10 м/с).
Только 0,02 % солнечной энергии, поступающей в Мировой океан, преобразуется в нем в кинетическую энергию течений, но и это достаточно внушительная величина: при мощности 5—7 ТВт она составляет примерно 60 • 1012 кВт-ч/год (современное потребление энергии в мире составляет примерно 80-1012 кВт- ч/год). Приблизительно 20% этой энергии идет на преодоление сил трения, а остальное расходуется на перенос водных масс из одних районов Мирового океана в другие.
В процессе этого переноса водные массы перераспределяют по планете избыток тепла, биогенных элементов, уменьшают концентрацию загрязнений в местах их поступления в океан, т. е. обеспечивают океану роль природного демпфера опасных отклонений жизненно важных показателей среды. Этот перенос идет с различными скоростями: от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду. Он происходит и по горизонтали и по вертикали, обеспечивая полный обмен водными массами между различными частями Мирового океана примерно один раз в 1000 лет.
Причины, вызывающие движение водных масс в океанах, различны. Здесь и действие сил, связанных с образованием градиентов давлений, и влияние ветров над океанской поверхностью, и приливы. В результате сложной связи этих факторов между собой, вращения Земли, взаимодействия образующихся потоков с неровностями дна и берегами в океане возникают совершенно удивительные по своим свойствам течения, в которых энергия концентрируется настолько, что становится оправданной разработка технических решений этого направления энергетики.
Если взять за эталон течения со средними скоростями порядка 1 м/с, то можно найти достаточно мест для размещения ОГЭС и в открытом океане, и вблизи берега. Особенно интересен в этом плане Атлантический океан (Гольфстрим, Северное пассатное, Бенгальское, Гвинейское, Бразильское течения). Менее интересен Индийский океан, хотя и обладающий большой суммарной кинетической энергией (Сомалийское и мыса Игольного течения, отроги течения Западных Ветров). В Тихом океане внимание привлекают Куросио и его ответвления.
Надо отметить, что здесь перечислены только некоторые из Великих океанических течений, используя мощь которых принципиально возможно создать достаточно крупные региональные энергетические объекты (суммарная мощность Гольфстрима, например, оценивается в 15 ГВт, а Куросио — в 50 ГВт), но существуют еще и течения, вполне подходящие для решения задач местной энергетики. Укажем, например, постоянно действующие течения в Гибралтарском и Баб-эль-Мандебском проливах, приливные течения в Ла-Манше, между рядом островов Курильской гряды и другие течения, где скорости потоков достигают величин порядка 5 — 8 м/с, и, соответственно, плотности энергии значительно возрастают по сравнению со средними для крупных океанских течений. Причем, в проливах можно использовать для нужд энергетики не только поверхностные, но и глубинные потоки, часто имеющие противоположное поверхностным направление и также обладающие подходящими скоростями.
Практически все течения подвержены каким-то изменениям. Сезонно и из года в год изменяются скорости, направления, физические параметры вод. Устойчивость потоков будет определять стабильность работы будущих ОГЭС, и для энергетики, вероятно,. особенно интересны те течения, устойчивость которых превышает, по крайней мере, 50 %. У всех из перечисленных выше течений этот показатель близок к 75%. Исключение составляет Сомалийское течение, в летние месяцы изменяющее направление движения на противоположное. Средние сезонные колебания расхода воды в Гольфстриме, например, составляют 15 — 20 % от наибольшего значения, правда, иногда отмечаются и большие колебания (величиной до 50%). Более стабильно Куросио (10 — 15% колебаний расхода), но в отдельные годы и в нем наблюдались изменения скорости и расхода воды в 50—60 %.
Источник